KR20180112175A - 입자상 물질과 가스상 물질을 동시에 제거하는 자동차 캐빈 에어필터용 복합 필터 - Google Patents

입자상 물질과 가스상 물질을 동시에 제거하는 자동차 캐빈 에어필터용 복합 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입자상 물질과 가스상 물질을 동시에 제거하는 자동차 캐빈 에어필터용 복합 필터에 관한 것으로, 활성탄소섬유 필터; 활성탄소섬유 필터의 일면에 합지된 써멀본드 섬유상 필터; 및 활성탄소섬유 필터의 다른 일면에 합지된 멜트블로운 섬유상 필터를 포함하는 복합 필터를 제공한다.

Description

입자상 물질과 가스상 물질을 동시에 제거하는 자동차 캐빈 에어필터용 복합 필터{Complex filter for automobile cabin air filter capable of simultaneously removing particulate matter and gaseous matter}
본 발명은 자동차 실내 공기 정화용 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 입자상 물질만 정화해 주는 필터와 달리 입자상 물질과 가스상 물질을 동시에 효율적으로 정화해 주는 복합 필터에 관한 것이다.
종래에 필터는 단순히 분진만 여과해 주는 저가형 필터 제품들이 주류를 이루고 있다.
황사 및 미세먼지 등으로 인해, 운전자의 실내 환경에서 건강의 확보가 매우 중요하게 대두되고 있다.
일부 복합 콤비 필터들이 시장에 제안되고 있으나, 가격이 높고 성능이 낮아 효용성이 떨어지고 있다.
또한, 복합 구조로 인해 차압이 많이 발생하여 에어컨 및 히터의 풍량을 낮추게 되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 입자상 물질과 가스상 물질을 동시에 제거할 수 있는 자동차 캐빈 에어필터용 복합 필터를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, 활성탄소섬유(ACF) 필터; 활성탄소섬유 필터의 일면에 합지된 써멀본드(Thermal Bond) 섬유상 필터; 및 활성탄소섬유 필터의 다른 일면에 합지된 멜트블로운(Melt Blown) 섬유상 필터를 포함하는 복합 필터를 제공한다.
본 발명에서 활성탄소섬유 필터는 천연 한지 10 내지 30 중량%에 비표면적 700 내지 1,500 ㎡/g의 활성탄소섬유를 70 내지 90 중량% 함침하고, 인산 5 내지 20 중량% 및 에틸렌 우레아 5 내지 20 중량%를 함유하는 촉매 수용액을 첨착 건조하여 제조되며, 0.5 내지 1 mmT의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에서 써멀본드 섬유상 필터는 폴리프로필렌 섬유를 포함하고, 100 내지 140 g/㎡의 평량을 가질 수 있다.
본 발명에서 멜트블로운 섬유상 필터는 폴리프로필렌 섬유를 포함하고, 10 내지 30 g/㎡의 평량을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 복합 필터는 멜트블로운 섬유상 필터에 합지된 스펀 본드(Spun Bond) 원단을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 필터는 다수 회로 접힌 주름구조를 갖고, 주름구조의 테두리가 부직포로 마감될 수 있다.
본 발명에 따라 개발된 복합 필터는 차압이 낮아 풍량 유지가 가능하며, 복합 물질들을 동시에 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 필터의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 필터의 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 복합 필터의 합지 공정을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 복합 탈취는 써멀본드 섬유상 필터(1), 활성탄소섬유 필터(2), 멜트블로운 섬유상 필터(3) 등으로 구성될 수 있다. 써멀본드 섬유상 필터(1) 및 멜트블로운 섬유상 필터(3)는 0.3 ㎛ 이상의 분진, 꽃가루, 타이어 가루 등을 효율적으로 포집할 수 있다. 활성탄소섬유 필터(2)는 암모니아, 톨루엔 등의 유해 가스를 효과적으로 제거할 수 있다.
써멀본드(Thermal Bond) 섬유상 필터(1)는　활성탄소섬유 필터(2)의 일면에 합지될 수 있다. 써멀본드 섬유상 필터(1)는 저융점의 가소성을 지닌 폴리프로필렌(PP: Polypropylene) 등의 섬유를 혼합하고 열 또는 압력　등으로 착화하거나　녹여서 섬유조직을 결합시켜 제조할 수 있으며, 접착제를 사용하지 않아 위생적이다.
써멀본드 섬유상 필터(1)의 바람직한 평량은 100 내지 140 g/㎡인데, 그 이유는 입자 크기가 0.3 ㎛인 미세먼지 및 분진 등의 입자상 물질을 효과적으로 제거하기 위함이고, 또한 낮은 압력손실을 유지하여 자동차 히터 및 에어컨의 풍량을 유지하기 위함이며, 또한 써멀 본드를 사용하여 필터의 형상 유지 및 견고함을 유지하기 위함이다.
활성탄소섬유(ACF: Activated Carbon Fiber) 필터(2)는 친환경 소재인 천연 한지 원료에 섬유상 활성탄(ACF)을 함침한 시트 형태로 제작될 수 있다. 활성탄은 섬유상 파우더 형태인 ACF로 적용될 수 있다. 천연 한지의 사용량은 10 내지 30 중량%일 수 있고, 활성탄소섬유의 사용량은 70 내지 90 중량%일 수 있다. 이러한 ACF의 첨가량 범위에서 천연 한지 섬유와 ACF 섬유상 파우더를 혼합하여 시트상으로 성형 시 ACF 섬유의 함량이 최대로 분산되면서 가공성을 확보할 수 있다. ACF의 비표면적은 유해가스 흡착 제거에 매우 중요한 요소이며, 예를 들어 700 내지 1,500 ㎡/g, 바람직하게는 800 내지 1,300 ㎡/g일 수 있다.
ACF 필터(2)는 알데히드 및 부탄의 흡착 성능을 높이기 위해, 촉매 수용액을 첨착 건조하여 제조될 수 있다. 구체적으로, 촉매 수용액을　한지 ACF(한지 + ACF 파우더)에 스프레이, 함침 등의 방법으로 도핑한 후 90 내지 110℃로 건조하여 활성화시킬 수 있다. 촉매 수용액의 함침량은 한지 ACF(한지 + ACF 파우더) 100 중량부 대비 1 내지 100 중량부일 수 있다. 촉매 수용액은 인산 5 내지 20 중량% 및 에틸렌 우레아 5 내지 20 중량%를 함유할 수 있고, 나머지는 물로 구성될 수 있다. 이러한 인산 및 에틸렌 우레아 함량 범위에서 톨루엔, 부탄 등에 대한 성능이 가장 효과적이다.
ACF 필터(2)의 바람직한 두께는 0.5 내지 1 mmT인데, 그 이유는 이러한 두께 범위에서 비-폴리머 계열의 천연 한지 ACF와 기타 구성물들과의 접합 강도 및 박리를 최소화할 수 있기 때문이다.
멜트블로운(Melt Blown) 섬유상 필터(3)는 활성탄소섬유 필터의 다른 일면에 합지될 수 있다. 멜트블로운 섬유상 필터(3)는 합성고분자인 폴리프로필렌(polypropylene)을 방사하고 고압열풍에 의해 극세 섬유로 만들어 균일한 용융섬유 웨브로　결합시켜 제조할 수 있다(melt-blown non-woven fabric). 제조공정은 일반적으로 원재료의 투입 → 압출·방사 → 웹 형성 → 웹 냉각 → 웹 결합과정을 거친다. 멜트블로운 공정에서 제조된 부직포를 사용할 수 있으며, 사용된 웹은 극세 섬유이기 때문에 부드럽고, 보온성 및 고도의 여과성능 등 일반 부직포에서 얻을 수 없는 장점을 가질 수 있다. 웹 강도가 매우 약한 것이 결점으로, 단독으로는 사용상 제약이 많아서, 스펀 본드(Spun Bond) 법에 의한 웹이나 펄프 또는 단섬유 등과 복합하여 사용될 수 있다. 가장 많이 사용되는 원료섬유는 폴리프로필렌이다. 유연성, 비투과성, 절연성이 뛰어나서 필터 등에 적합하다.
멜트블로운 섬유상 필터(3)의 바람직한 평량은 10 내지 30 g/㎡인데, 그 이유는 그 이유는 입자 크기가 0.3 ㎛인 미세먼지 및 분진 등의 입자상 물질을 효과적으로 제거하기 위함이고, 또한 낮은 압력손실을 유지하여 자동차 히터 및 에어컨의 풍량을 유지하기 위함이다.
본 발명에 따른 복합 필터는 멜트블로운 섬유상 필터(3)에 합지된 스펀 본드(Spun Bond) 원단을 추가로 포함할 수 있다. 스펀 본드 원단은 제품의 강도와 견고함을 유지하기 위한 층으로, 특히 멜트블로운 섬유상 필터(3)의 내구성 확보를 위해 합지될 수 있다. 스펀 본드 원단은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 원료를 방사하고 열에 의해 자체 접착하여 웹을 형성함으로써 제조할 수 있으며, 원단 설계가 용이하여 필터 등에 적합하다.
도 1 및 2를 참고하면, 본 발명에 따른 복합 필터는 여과 면적과 통기성 확대를 위해 다수 회로 접힌 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 상단과 하단이 교대로 절곡되면서 접혀 주름진 형태로 제조될 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 복합 필터는 주름구조의 테두리가 부직포로 마감될 수 있다. 테두리 부직포는 PP 섬유 소재를 0.8 내지 1.2 mm 두께의 시트로 가공한 것으로, 외부 규격과 외형 유지 및 자동차 에어컨 필터 케이스 내의 이격 및 탈부착이 용이하도록 제작될 수 있다.
도 3을 참고하여 본 발명에 따른 복합 필터의 제조 공정을 살펴보면, 상부 써멀본드 원단, 중간부 천연한지 ACF, 하부 멜트브로운 원단의 순으로, 핫 멜트를 도포하고 롤러로 압착하여 합지한 후, 같은 방법으로 후단에 스펀본드 원단을 합지한다. 구체적으로, 먼저 합지 공정을 통해 써멀본드 원단과 ACF 원단을 합지한 후, 미세 먼지 제거에 효과적인 멜트블로운 원단을 합지한다. 그 후, 멜트블로운 원단의 내구성 확보를 위해 스펀 본드 원단을 합지하여 원형 롤 시트를 제조한다. 그 후, 여과 면적과 통기성 확대를 위해 롤 시트를 절곡하여 주름진 필터 형태로 제조한다. 그 후, 제품의 견고함을 유지하기 위해 부직포 테두리로 마감하여 자동차용 콤비 필터를 제조한다.
본 발명에 따른 복합 필터는 자동차 에어필터 시험 규격에 만족하는 성능을 가지는 제품으로, 입자상 물질과 가스상 물질을 동시에 제거할 수 있고, 특히 기존 방식의 제품보다 평량(g/㎡)이 낮은 구성요소들로 적층 제작하여 원단의 기능을 최대한 유지하면서 차압이 낮다.
본 발명에 따른 복합 필터의 항균도는 95 내지 100%, 항곰팡이성은 1등급 또는 0등급, 탈취율은 90 내지 100%, 압력손실은 20 ㎜Aq(㎜H2O) 이하(200 Pa 이하)일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 복합 필터의 미세먼지 제거효율은 0.3~0.5 ㎛ 크기의 경우 80 내지 100%, 0.5~1 ㎛ 크기의 경우 85 내지 100%, 1~3 ㎛ 크기의 경우 90 내지 100%, 3~5 ㎛ 크기의 경우 90 내지 100%, 5~10 ㎛ 크기의 경우 93 내지 100%일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 복합 필터의 유해가스 제거효율은 흡착 기간 5분에 80 내지 100%, 탈착 기간 5분에 85 내지 100%일 수 있다. 휘발성 유기화합물(VOCs)은 검출되지 않거나 1 ppm 이하일 수 있다.
[실시예]
도 1과 같이, 써멀본드 섬유상 필터(1), 활성탄소섬유 필터(2), 멜트블로운 섬유상 필터(3) 등으로 구성된 복합 필터를 제조하였다.
써멀본드 섬유상 필터(1)는 PP 섬유를 이용하여 평량 120 g/㎡로 제조하였다. 활성탄소섬유 필터(2)는 천연 한지 20 중량%에 비표면적 800 ㎡/g의 ACF 80 중량%를 함침한 시트 형태로 제조하되, 인산 10 중량% 및 에틸렌 우레아 10 중량%를 함유한 촉매 수용액을 한지 ACF 100 중량부 대비 10 중량부로 함침한 후 100℃로 건조하여 두께 0.8 mmT로 제조하였다. 멜트블로운 섬유상 필터(3)는 PP 섬유를 이용하여 평량 20 g/㎡로 제조하였다.
도 3과 같이, 상부 써멀본드 원단, 중간부 천연한지 ACF, 하부 멜트브로운 원단의 순으로, 핫 멜트를 도포하고 롤러로 압착하여 합지한 후, 같은 방법으로 후단에 스펀본드 원단을 합지하였다. 구체적으로, 먼저 합지 공정을 통해 써멀본드 원단과 ACF 원단을 합지한 후, 미세 먼지 제거에 효과적인 멜트블로운 원단을 합지하였다. 그 후, 멜트블로운 원단의 내구성 확보를 위해 PP 섬유로 제조된 스펀 본드 원단을 합지하여 원형 롤 시트를 제조하였다. 그 후, 여과 면적과 통기성 확대를 위해 롤 시트를 절곡하여 도 2와 같이 주름진 필터 형태로 제조하였다. 그 후, 제품의 견고함을 유지하기 위해 PP 섬유로 제조된 1 mm 두께의 부직포 테두리로 마감하여 자동차용 콤비 필터를 제조하였다.
[시험예]
제조된 복합 필터에 대하여 항균도, 항곰팡이성, 탈취율, 초기압력손실, 미세먼지 제거효율, 유해가스 제거효율, 냄새시험(탈취), 휘발성 유기화합물(VOCs) 등을 측정하였으며, 그 결과 표 1 및 2와 같다. 항균도는 ASTM E 2149, 탈취 및 가스제거 특성은 KS I 2218:2009에 따라 측정하였다.
번호 시험항목 평가기준 시험방법
1 압력손실 450㎥/h 20㎜Aq 이하 7.1
2 분진제거
효율시험
(기하학적 직경)		 0.3㎛~0.5㎛ 50% 이상 7.2
0.5㎛~1.0㎛ 70% 이상
1.0㎛~3.0㎛ 85% 이상
3.0㎛~5.0㎛ 95% 이상
5.0㎛~10.0㎛ 100%
3 유해가스
제거효율시험
(1분/5분)		 톨루엔(80ppm) 80% / 75% 이상 7.3
n-부탄(80ppm) 70% / 45% 이상
아황산(30ppm) 70% / 55% 이상
오존(100ppb) 90% / 80% 이상
4 환경안정성시험 압력손실시험 초기압력손실±5% 이내 7.4
분별제거효율시험 1번 항목의 평가기준
5 유해가스 탈착시험 5% 미만 7.5
6 연소성시험 FMVSS302
또는 DIN 53438		 자기소화성
(Self-extinguishing)		 7.6
7 항곰팡이성시험 ASTM G21 1등급 이상 7.7
8 미생물시험 ASTM G22 시료 표면에 박테리아의
성장이 없을 것		 7.8
9 최대분진포집용량 시험 15 g/㎡ 이상 7.9
구분 본 발명 제품 A사 제품
항균도 균주 99.9 % 0%
항곰팡이성 0등급 0등급
탈취율 94.5 % 80.7 %
초기압력손실
100㎥/h 18.6 Pa 13.1 Pa
200㎥/h 29.5 Pa 28.1 Pa
300㎥/h 52.0 Pa 48.6 Pa
400㎥/h 82.3 Pa 71.6 Pa
500㎥/h 98.1 Pa 97.6 Pa
600㎥/h 131.6 Pa 128.8 Pa
미세먼지 제거효율
0.3 ~ 0.5㎛ 81.4 % 65.1 %
0.5 ~ 1.0㎛ 87.4 % 65.3 %
1.0 ~ 3.0㎛ 92.1 % 74.2 %
3.0 ~ 5.0㎛ 92.0 % 83.3 %
5.0 ~ 10.0㎛ 94.5 % 89.8 %
유해가스 제거효율
Duration of adsorption 1 min 79.5 % 80.5 %
5 min 84.0 % 77.5 %
Duration of desorption 1 min 63.2 % 49.0 %
5 min 87.2 % 70.2 %
냄새시험(탈취)
습 1.0 1.0
건 2.0 2.0
VOCs (정밀)
벤젠 미검출 미검출
톨루엔 미검출 미검출
에틸벤젠 미검출 미검출
자일렌 미검출 미검출
스티렌 미검출 미검출
포름알데하이드 미검출 0.1 ppm
아세트알데하이드 미검출 0.1 ppm
아크롤레인 미검출 미검출
표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명 제품은 타사 제품보다 우수한 물성을 나타내었다.
1: 써멀본드 섬유상 필터
2: 활성탄소섬유 필터
3: 멜트블로운 섬유상 필터

Claims (6)

  1. 활성탄소섬유(ACF) 필터;
    활성탄소섬유 필터의 일면에 합지된 써멀본드(Thermal Bond) 섬유상 필터; 및
    활성탄소섬유 필터의 다른 일면에 합지된 멜트블로운(Melt Blown) 섬유상 필터를 포함하는 복합 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    활성탄소섬유 필터는 천연 한지 10 내지 30 중량%에 비표면적 700 내지 1,500 ㎡/g의 활성탄소섬유를 70 내지 90 중량% 함침하고, 인산 5 내지 20 중량% 및 에틸렌 우레아 5 내지 20 중량%를 함유하는 촉매 수용액을 첨착 건조하여 제조되며, 0.5 내지 1 mmT의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    써멀본드 섬유상 필터는 폴리프로필렌 섬유를 포함하고, 100 내지 140 g/㎡의 평량을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    멜트블로운 섬유상 필터는 폴리프로필렌 섬유를 포함하고, 10 내지 30 g/㎡의 평량을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    멜트블로운 섬유상 필터에 합지된 스펀 본드(Spun Bond) 원단을 추가로 포함하는 복합 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    복합 필터는 다수 회로 접힌 주름구조를 갖고, 주름구조의 테두리가 부직포로 마감된 것을 특징으로 하는 복합 필터.
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